廣東-廣西農業水足跡變化及其驅動力的對比分析

邱婭柳，鄭久瑜，曾 雯，操信春*

(1.河海大學農業科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510000；3.南京市高淳區水資源管理中心，江蘇 南京 211300)

水資源短缺和水環境惡化使得中國的淡水資源正面臨著巨大的壓力。近年來，經濟發展、城鎮化、人口增長和水資源空間分布不均與管理不善，增加了中國水危機發生的頻率和嚴重程度[1]。農業作為水資源需求最大的領域，農業用水長期占據全國供水總量的一半以上，正確評價及科學調控區域農業用水是保障糧食安全和生態可持續發展的重要環節。

水足跡的概念于2002年由霍克斯特拉[2]首次提出，被認為是評價和解決區域水資源短缺的新方法。水足跡是一個能體現水資源消耗的類型及數量、污染量及污染類型的多維度指標，是科學地評價農業生產與水資源關系及其利用效率的重要前提[3]。農業水足跡反映農產品生產或消費活動對水資源產生的消耗及影響的綜合評價指標。通常，農業水足跡由3部分組成：藍水、綠水和灰水足跡。藍水足跡是指整個作物生長周期對地表水和地下水的消耗；綠水足跡是指以田間蒸散形式消耗的雨水；灰水足跡是指在給定自然背景濃度和現有環境水質標準的情況下，吸收污染物負荷所需的淡水量[1,4-5]。近20年來，國內外學者對作物水足跡量化及其影響因素展開了大量研究[6]。起初，學者們重點關注不同空間尺度(包括國家、流域、區域、灌溉區和田間)的主要作物的水足跡量化[7-10]。例如，郭相平等[11]計算并分析了中國31個省(自治區)的農作物水足跡；王寧等[12]利用ESDA方法對黃河流域水足跡分布及其區域特征進行分析；高潔等[13]以寶雞峽灌區為例，定量評價不了同典型年灌區藍綠水資源與作物生產水足跡多時間尺度演變規律；中國各省以及田間尺度的作物水足跡變化規律也是研究的重點[14-15]。隨后，為了緩解水資源壓力，一些學者將研究重心轉移到農作物水足跡影響因素上來。由于水足跡主要來自于田間作物的蒸散，影響作物需水量的因素如作物類型、種植面積、氣候條件、灌溉技術及水資源管理方式等被認為是作物水足跡的影響因子[16]。Zhang等[17]探究了黑河流域中游地區水足跡變化的驅動因素；楊洋等[18]、Xu等[19]和Zhao等[20]分別分析了廣西壯族自治區、北京市及蘇州市農作物水足跡變化的主要原因。這些研究均在一定程度上分析了農業水足跡的影響因素。然而，這些研究均針對特定區域，缺乏不同類型區域水足跡隨時間變化影響因素的對比分析。

廣東和廣西是中國南部沿海地區相鄰的兩省(自治區)，均屬于亞熱帶季風氣候，地形都以丘陵山地為主。兩省(自治區)雖自然條件相似，但是社會經濟環境差異很大。廣東省的經濟發展以珠江三角洲為中心，珠江三角洲因其水運發達、航運價值高和輻射帶動作用強而使得廣東GDP位居全國第一，廣西僅為其1/5。因此，從自然和社會經濟2個方面選取因素來分析兩省(自治區)水足跡及其影響因素的差異意義重大。本研究以廣東和廣西兩省(自治區)為研究對象，目的是：量化1996—2018年兩省(自治區)農業水足跡，分析農業生產與水資源的關系；探究主要作物的水足跡隨時間變化的規律；由水足跡強度及水足跡組成規律分析兩省(自治區)農業用水效率的變化；揭示農業水足跡變化的驅動因素服務于適宜水資源管理策略制定。

1 研究方法與數據來源

1.1 農業水足跡的計算

農業水足跡(AWF)是一種衡量農業生產及消費對水資源造成的消耗及影響的綜合評價指標。對特定的作物來說，農業水足跡可表示為藍水足跡(BWF)、綠水足跡(GWF)和灰水足跡(GRWF)3部分之和[21]：

AWF=BWF+GWF+GRWF

(1)

式中 BWF——作物以田間蒸散的形式消耗的灌溉水量，也被稱為藍水足跡，m3；GWF——作物以田間蒸散的形式消耗的雨水量，也被稱為綠水足跡，m3；GRWF——由于農業排放引起的水資源非點源污染量，也被叫作農業灰水足跡，m3。

水足跡各組成的計算方法如下[22]：

BWF=AI×(ETc-Pe)

(2)

GWF=A×Min(ETc,Pe)

(3)

式中AI——灌溉面積，hm2；ETc——作物所需水量，mm；Pe——有效降水量，mm；A——作物種植面積，hm2。

ETc由作物系數(Kc)和參考作物蒸散量(ET0)共同決定：

ETc=Kc×ET0

(4)

式中Kc——作物系數，無量綱；ET0——參考作物蒸散量，mm，ET0可利用在CROPWAT模型中廣泛使用的Penman-Monteith(P-M)公式進行計算。

Pe可按照美國農業部土壤保持局推薦的方法進行計算[23]：

(5)

式中P——每10天的降水量，mm。

灰水足跡采用的計算方式如下[24]：

(6)

式中α——淋濾徑流分數，%；AR——每公頃農田的化學施用量，kg/hm2；Cmax——環境污染物最大可接受濃度，kg/m3；Cmin——天然水中的濃度，可假設為0。

1.2 偏最小二乘回歸

1.3 數據來源

研究對象為主體位于珠江流域的廣東、廣西兩省(自治區)，研究時段為1996—2018年。用于水足跡計算和驅動因子分析的氣象數據來自兩省(自治區)60個(廣東36、廣西24)氣象站點，下載于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)；用水總量、農業用水量、灌溉水利用系數來自中國水資源公報和兩省水資源公報；人口、經濟、農業生產等相關數據均來自中國統計年鑒。

2 結果與分析

2.1 廣東-廣西農業水足跡變化

1996—2018年廣東與廣西的農業水足跡年均值及年均增長率分別為29.88、41.37 Gm3和2.64%、3.82%。廣東-廣西兩省(自治區)歷年的水足跡總量列于表1。

由表1可知，廣東-廣西兩省(自治區)研究期間農業水足跡分別增長了17.70、33.42 Gm3，廣西農業水足跡的增量約為廣東的2倍。廣東農業水足跡的變化經歷了穩定和上升2個階段。穩定階段(1996—2009)：廣東的農業水足跡始終保持在22～30 Gm3，且呈現在小范圍波動中增長的態勢。上升階段(2010—2018)：廣東的農業水足跡始終保持逐年上升的趨勢，年均增長率為3.6%。廣西在1996—2001年的農業水足跡較穩定，始終在28 Gm3左右浮動。自2001年開始，廣西的農業水足跡增長迅速，年均增長率為4.1%，2001—2018年廣西的農業水足跡增長了將近一倍。1996年廣東和廣西兩省(自治區)的農業水足跡僅相差了3.21 Gm3，至2018年廣西的農業水足跡卻已約為廣東的1.5倍。兩省(自治區)作物種植結構的不同很大程度上決定了水足跡的變化趨勢。8類作物的年均水足跡構成見圖1。

表1 1996—2018年廣東-廣西農作物水足跡

a)廣東

從總體上看，廣東和廣西兩省(自治區)的作物水足跡構成相似但略有不同。相似之處在于谷物和水果均超過了10 Gm3，豆類、薯類、棉花和其他作物的水足跡均不超過3 Gm3。不同之處在于廣西糖類的水足跡比廣東大得多，兩者相差了9.18 Gm3。從單省份來看，廣東糧食作物與經濟作物的水足跡分別為11.7、18.2 Gm3，分別占了農業水足跡的39.1%和60.9%。水果的水足跡最大為13.55 Gm3，其次是谷物為10.47 Gm3，二者占了農業水足跡的80.4%。糖類和其他作物的水足跡為1～3 Gm3，二者所占比例為15.5%。剩下的4.1%由豆類、薯類、油料和棉花構成，他們的水足跡幾乎可以忽略不計。對廣西來說，糧食作物和經濟作物的水足跡分別為13.2、28.1 Gm3，分別占農業水足跡的32%和68%。與廣東相比，廣西經濟作物的水足跡占比更高，且經濟作物水足跡也高了約10 Gm3。谷物、糖類和水果的水足跡均在12 Gm3左右，三者所占比例之和高達89.5%。換言之，廣西農業水足跡的變化是由谷物、糖類和水果決定的。剩余5種作物的水足跡均不超過2 Gm3，對廣西農業水足跡的改變作用效果不明顯。圖2展示了各類作物歷年水足跡占比的變化趨勢。

a)廣東

從圖2中可以看出，廣東水足跡占比變化明顯的作物是谷物和水果。谷物的比例大體上呈現逐年下降的趨勢，從1996年的57.1%降至2018年的23.2%，下降了33.9%。相反地，水果的水足跡從1996年的4.6 Gm3增長至2018年的26.3 Gm3，年均增長率高達8.2%，所占比例也從20.3%增至64.62%。此外，糖類的水足跡占比在研究期間下降了約10%，豆類、薯類、油料、棉花和其他作物種植面積很小，歷年水足跡占比較穩定且均不超過10%。廣西谷物和水果的占比變化趨勢與廣東相似，分別下降和上升了28.8%和41.8%，兩類作物的變化幅度均略小于廣東。另外，廣西糖類的比例始終超過了20%，糖類占比的變化趨勢可分為2個階段，第一階段：1996—2008年，糖類的比例在波動中增長至2008年的最大值39.46%；第二階段：2009—2018年，這一階段內糖類所占比例整體上呈現逐年遞減的態勢，至2018年已降至23.9%。糖類水足跡的減小與糖類種植面積大幅度減少、種植效益快速下滑息息相關。

與廣東相同，廣西的豆類、薯類、油料、棉花和其他作物所占比例均低于10%。結合圖2可知，谷物和水果在兩省(自治區)的種植結構中變化最顯著，對水足跡變化量的作用效果最強；廣西作為中國重要的蔗糖生產基地，甘蔗和甜菜種植面積大且產量高，盡管近年來糖類的種植面積和產量在減小，但由于糖料產業規模基數大，因此糖類在廣西的農作物水足跡構成中占有重要位置。

2.2 農業水足跡強度及其組成

農業水足跡強度是用來衡量農業用水效率的有效指標，主要受水足跡和耕地面積變化的影響。1996—2018年廣東和廣西兩省(自治區)的年均耕地面積分別為2 888、4 097 khm2。圖3中給出了廣東-廣西兩省(自治區)農業水足跡隨時間的變化趨勢。

圖3 1996—2018廣東-廣西農業水足跡強度

由圖3可知，兩省(自治區)的水足跡強度變化趨勢線大體相似，部分年份有一些差別。可將研究時間段分為3個階段。第一階段(1996—2002)：兩省(自治區)的水足跡強度先上升然后在1998—1999年驟降，主要是該年兩省(自治區)的耕地面積均明顯擴大造成的。1999年后，廣東省的水足跡強度逐年下降而廣西與之相反，至2002年兩省(自治區)的水足跡強度幾乎相等。第二階段(2003—2015)：兩省(自治區)的水足跡強度非常接近，強度差值不超過50 mm。此外，水足跡強度增長迅速，年均增長率均超過了4%，廣東-廣西兩省(自治區)水足跡強度分別增長了565、480 mm。該階段內兩省(自治區)的耕地面積均有較小程度的減少，但水足跡總量增長較大，因此水足跡強度明顯變強。第三階段(2016—2018)：廣東和廣西兩省(自治區)的水足跡強度平穩增長且其趨勢線幾乎平行，差值在200 mm左右。2018年，水足跡強度達到研究期間的最大值，廣東和廣西分別為1 563、1 357 mm。水足跡強度的不斷增大，源于耕地面積的變化，但更重要的原因是水足跡的快速增長。研究期間兩省(自治區)水果的水足跡均增長了超過20 Gm3，種植結構的變化導致單位耕地面積耗水量的增加。2018年廣東省單位面積藍水、綠水和灰水足跡分別為45.7、1 164.3、352.5 mm，廣西單位面積藍水、綠水和灰水足跡分別為38.7、1 024.2、294.3 mm。綠水是水果的主要消耗對象，廣東和廣西兩省(自治區)單位耕地面積的綠水足跡較1996年分別增加了466.9、314.6 mm，而單位面積的藍水和灰水足跡變化不大。提高綠水資源在農業水足跡中的比例，對水資源的節約作用顯著。歷年藍水、綠水和灰水足跡的組成情況見圖4。

a)廣東

由圖4知，廣東和廣西的農業水足跡均隨時間呈逐漸變大的趨勢，且組成結構均表現出藍水足跡<灰水足跡<綠水足跡的關系。廣東省的農業水足跡從1996年的22.92 Gm3增長至2018年的40.62 Gm3。藍水、綠水和灰水足跡年均占比分別為4.1%、73.9%和22.0%。綠水足跡的年均值約為藍水足跡和灰水足跡的17.9倍和3.4倍。很明顯，作物耗水量主要以綠水資源為主，綠水足跡的變化決定了水足跡總量的變化。研究期間藍水足跡占比始終穩定在4%左右，未能改變農業水足跡的組成結構。灰水足跡有小幅度的增長，從1999年的5.24 Gm3增長到2018年的9.16 Gm3。對于廣西來說，農業水足跡從1996年的26.1 Gm3增長至2018年的59.6 Gm3，增長了超過一倍。藍水、綠水和灰水足跡年均占比分別為4.3%、74.8%和20.9%。同樣地，綠水足跡也是總量中占比最大的，其年際變化情況與農業水足跡基本一致，在農作物水足跡中占絕對的主導地位。綠水足跡的增大對區域水資源利用結構的優化有著重要作用。此外，藍水足跡穩定在1.8 Gm3附近，但所占比例隨時間呈不斷下降趨勢，從1996年的7.1%降至2018年的2.8%。由于污染物排放量的增大，灰水足跡也有了較明顯的增長，1996—2018年期間增長了7.2 Gm3，但所占比例一直穩定在20%左右。

2.3 農業水足跡驅動力分析

廣東、廣西農業水足跡強度的驅動力分析見表2和圖5。

a)廣東

表2 農業水足跡強度的PLSR模型概述

表2總體概述了利用偏最小二乘回歸方法分別為廣東和廣西農業水足跡強度構建的最優模型。廣東省農業水足跡強度偏最小二乘回歸模型提取了與預測變量相關的3個偏最小二乘回歸成分，其中第一成分對廣東省農業水足跡強度變異的解釋率為49.6%，而模型的另外2個成分對變異的解釋率累計為67.7%；廣西農業水足跡強度偏最小二乘回歸模型中，Qcum2最大值對應了2個主成分，第一、二成分對農業水足跡強度的解釋率分別為52.2%和13.7%。

圖5對比了影響農業水足跡強度各因子的VIP值和RCs。結果顯示，廣東F1(降水量)的VIP值最高(VIP=1.33，RC=-0.375)，其次為F7(人均GDP)(VIP=1.291，RC=0.379)、F8(城鎮化率)(VIP=1.14，RC=0.068)、F5(單位面積化肥使用量)(VIP=1.07，RC=0.237)、F6(糧食面積比重)(VIP=1.03，RC=0.003)，和F3(VIP=1.02，RC=-0.195)。F1越高，農業水足跡強度明顯降低，同樣，F3越高，農業水足跡強度越低；而較高的F5、F6、F7、F8和較高的農業水足跡強度相關。在一定程度上，所有的因子都與農業水足跡強度有關。然而，VIP<1的因子所造成的影響可忽略，因此這里只討論VIP>1的因子。充足的降水量可滿足作物一部分的需水要求，從而降低了藍水足跡的消耗，進而農業水足跡強度減小。灌溉水利用系數的增大，有效減少水資源的浪費，農業水足跡強度也有減少的可能，但這種影響在廣東省是有限的。過多的施肥量惡化了水環境，需要更多的灰水足跡來稀釋水中的污染物，導致農業水足跡增大，農業水足跡強度也隨之增大。眾所周知，糧食生產需要消耗大量的水足跡，因此，糧食種植面積越大，農業水足跡消耗越多。城鎮化進展促進了當地經濟的飛速發展，農業發展得到良好的改善，如機械化的普及，擴大了農業生產規模，因此，農業水足跡逐步攀升。

由于地理位置、氣候條件及經濟發展等方面的差距，廣西的情況與廣東省有所不同。圖5b顯示，VIP>1的因子共有6個，F3最高(VIP=1.34，RC=-0.295)，其次分別為F5(VIP=1.17，RC=0.157)，F1(VIP=1.13，RC=-0.118)，F2(平均氣溫)(VIP=1.11，RC=0.316)，F8(VIP=1.04，RC=0.172)和F6(VIP=1.03，RC=0.013)。除了F3和F1對農業水足跡強度造成消極影響，其余因子越高，農業水足跡強度越高。廣西作為農業大區，雖河流眾多水資源豐富，但降水分布不均，因此提高灌溉水利用效率，有力地緩解水資源浪費，減少農業水足跡的消耗，有助于提高農業生產效率，從而成為影響最大的因子。與廣東省不同的是，廣西的人均GDP不再是VIP>1的影響因子，而平均氣溫成為正向影響因子。氣候是決定農作物生長發育和耗水特征的直接因素，因此氣候條件特別是降水能直接影響廣東、廣西兩省(自治區)的農業水足跡。不同的是，廣東農業水足跡強度還受到經濟發展水平的較大影響，而廣西的農業水足跡強度受農業生產和用水技術的影響更加明顯。兩省(自治區)的經濟發展差距較大，廣西以農業為主，而廣東已轉向新型產業；這應該是二者農業水足跡驅動因素存在差異的原因。

3 討論

農業水足跡反映的是區域農產品生產對水資源的全面占有。作為人類生存的物質基礎，農業水足跡的最原始驅動源為全社會對農產品數量和結構的需求[7]。在本文研究時段，包括廣東、廣西兩省(自治區)在內的全中國經濟增長、城鎮化發展和人民生活水平提高等都在快速推進。這不僅增加了包括食物在內的農產品需求，也逐漸改變了其消費結構。這是兩省(自治區)農業水足跡均隨時間增長而糧食水足跡比例呈下降趨勢的主要原因。此外，農業大省優勢農產品生產和對外供應規模擴大也對農業水足跡的增長有一定的推動作用。如，作為中國甘蔗播種的優勢產區，廣西的種植面積始終遠高于其他地區，且保持增長態勢。2018年，廣西貢獻的甘蔗產量占全國比重高達67.5%，超過了2/3。為全國其他地區提供糖料的直接和間接消費也導致了廣西農業水足跡的增長。

農業水足跡不僅與農業生產條件息息相關，也與經濟社會活動密切關聯，因而有必要從多個視角選取指標進行不同類型區域的驅動機制分析。并在此基礎上根據區域的特征開展基于農業水足跡調控的農業水管理政策制定與實施。在農業生產規模較大而經濟相對發達地區，應該加大農業生產投入、提高化肥利用效率、創新農業節水管理機制，讓農業水足跡調控受益于經濟發展成果。在農業為主、經濟發展相對滯后型區域，需要通過改善農田水利設施來提高灌溉水利用系數，從而直接控制區域農業水足跡。同時，進一步提高農藝技術也值得關注，因為該地區也有可能面臨由于化肥使用過量而造成的灰水足跡偏高問題。此外，該類地區也往往由于為經濟相對發達的外部地區貢獻大量的初級農產品和虛擬水而限制本區域經濟發展水平和農業用水效率。因此，還應該在不同類型地區之間探索農業用水補償機制，從而保證農產品輸出區的經濟社會健康運行和水資源的可持續利用。

4 結論

1996—2018年，廣東、廣西兩省(自治區)農業生產水足跡分別高達29.88、41.37 Gm3，且均呈隨時間增長的態勢和兩省(自治區)農業水足跡增長迅速，年均增長率均超過2.5%。1996年兩省(自治區)的農業水足跡很接近，2018年廣西的農業水足跡已約為廣東的1.5倍，農業水足跡由向經濟落后地區集中的態勢。

糧食作物在初期占據最大部分的水資源耗用，隨后水足跡比例不斷下降，在廣東和廣西都被水果類作物超過。同時，廣西的糖類在農作物水足跡構成中占據重要位置，其比例在近年超過了糧食作物。因此，消費需求和產業結構轉變等社會發展背景下對區域農業水足跡構成產生了明顯變化。

降水和氣溫等氣候要素是農業水足跡的重要驅動因子。其他驅動因素方面體現了區域產業特征之間的差異。廣東經濟發展水平要素對農業水足跡也有顯著的驅動效應，而廣西的農業水足跡與農業生產技術的關系更加密切。因此，應基于驅動效應分析結果開展。